Передача винт - гайка

Передача винт - гайка служит для преобразования вращательного движения в поступательное. Особенностями работы передачи являются:

- возможность получения медленного поступательного движения при высокой точности перемещений;

- большая несущая способность передачи при её компактности.

Недостатком передачи является низкий КПД и повышенная интенсивность изнашивания резьбы вследствие большого трения

Передачи винт - гайка по виду трения подразделяют на передачи скольжения и передачи качения.

Передачи винт - гайка скольжения широко применяют для создания больших осевых сил (прессы, тиски, домкраты). Винты передачи по назначению делят на винты для создания больших осевых сил (грузовые винты), и винты, применяемые для точных перемещений (ходовые винты).

Наиболее часто в таких передачах применяют трапецеидальную и прямоугольную резьбу. Для грузовых и ходовых винтов чаще применяют винты с трапецеидальным профилем резьбы, так как её прочность выше прочности прямоугольной резьбы, а потери на трение лишь незначительно больше, чем при применении прямоугольной резьбы. Трапецеидальную резьбу с мелким, средним и крупным шагом выполняют в соответствии со стандартом. Прямоугольная резьба не стандартизирована.

Винт и гайка должны представлять собой антифрикционную пару, то есть иметь малый коэффициент трения. Для винтов применяют стали 45, 50 без термообработки и стали 40Х, 40ХГ - с закалкой и последующей шлифовкой. Гайки изготавливают из оловянистых бронз. В тихоходных передачах применяют антифрикционный чугун.

Рис. 111. Винтовой домкрат (передача винт - гайка скольжения):

1 - винт; 2 - гайка; 3 - опорная пята; 4 - рукоятка; 5 - корпус

Основной причиной выхода из строя винтов и гаек является износ резьбы, поэтому основным критерием работоспособности передачи является износостойкость резьбы, которую оценивают по допускаемому давлению с последующей проверкой винта на прочность.

Исходной величиной для расчёта передачи является осевая нагрузка на винт F _ос, которая распределена по виткам резьбы равномерно. Износостойкость оценивают по величине среднего давления в резьбе:

, (11.30)

где S _тр - площадь одной рабочей поверхности витка резьбы гайки;

d ₂ - средний диаметр резьбы;

h - высота рабочего профиля резьбы;

z _в - число витков резьбы гайки.

Трапецеидальная резьба характеризуется наружным d (D), внутренним d ₁(D ₁) и средним d ₂(D ₂) диаметрами, теоретической H и рабочей h высотой профиля, ходом и шагом резьбы р (рис. 112). Угол профиля резьбы составляет α = 30°.

Рис. 112. Геометрические параметры трапецеидальной резьбы:

d, D - наружный диаметр; d ₁, D ₁ - внутренний диаметр;

d ₂, D ₂ - средний диаметр; h - рабочая высота профиля;

p - шаг резьбы; H - теоретическая высота профиля

Высота рабочего профиля h для прямоугольной и трапецеидальной резьбы составляет:

.

Число витков гайки связано с её высотой h _г (рис. 111) и шагом резьбы р очевидным соотношением:

.

После подстановки в формулу (11.30) выражений для h и z _в получим:

. (11.31)

Формулу (11.31) используют при проверочном расчёте винта и гайки передачи на износостойкость резьбы. При проектном расчёте винта и гайки на износостойкость резьбы используют формулу:

, (11.32)

где ψ - коэффициент относительной высоты гайки .

Полученное значение диаметра d ₂ округляют до ближайшего бóльшего стандартного значения, после чего определяют стандартные значения остальных параметров.

Для сильно нагруженных винтов после расчёта на износостойкость рекомендуется проводить проверочный расчёт на прочность при совместном действии напряжений изгиба и кручения по эквивалентному напряжению:

,

где напряжение растяжения ;

S ₂ - площадь поперечного сечения винта по среднему диаметру;

напряжение кручения .

Передачи винт - гайка качения применяют в механизмах точных перемещений, в следящих системах и ответственных силовых передачах. Отличительными особенностями передач являются достаточно высокий КПД (η ≈ 0,9) и малый износ в сравнении с передачами скольжения.

Рис. 113. Шарико - винтовая передача:

1 - винт; 2 - гайка; 3 - перепускной канал

Наибольшее распространение получили шарико - винтовые передачи (ШВП, рис. 113), широко применяемые в рулевых механизмах тяжёлых грузовых автомобилей и автобусов, иногда в рулевых механизмах полноприводных легковых автомобилей.

Шарико - винтовая передача состоит из винта и гайки со специальной резьбой, в которой располагаются шарики. Шарики перемещаются по замкнутой траектории внутри гайки, возвращаясь от конца рабочего участка резьбы к началу по перепускному каналу. Предпочтительный профиль канавок гайки - дуговой, очерченный радиусом, близким к радиусу шарика (рис. 114, а). Также широко применяют профиль «стрельчатая арка» (рис. 114, б), который труднее в изготовлении, но позволяет создать предварительный натяг подбором диаметров шариков.

а) б)

Рис. 114. Шариковая пара винт - гайка

К основным критериям работоспособности ШВП относят:

- сопротивление контактной усталости и контактную статическую прочность рабочих поверхностей;

- износостойкость поверхностей винтовых канавок и поверхности шарика;

- осевую жёсткость вала.

Для проверки по критерию контактной выносливости проводят расчёт, связывающий ресурс работы передачи L (в млн. оборотов) и осевую нагрузку F _ос:

, (11.33)

где C_a - динамическая грузоподъёмность;

- суммарный коэффициент, учитывающий такие параметры, как точность передачи, качество выплавки сталей и вероятность безотказной работы.

Под динамической грузоподъёмностью понимают нагрузку, при которой винт или гайка передачи совершают 1 млн. оборотов до разрушения.

Под статической грузоподъёмностью понимают такую нагрузку, при действии которой возникает общая остаточная статическая деформация шариков и винтовых канавок в наиболее нагруженной точке контакта, равная диаметра шарика.

Контактная статическая прочность обеспечивается, если наибольшая осевая нагрузка F_max не превосходит статическую грузоподъёмность С_{а 0}:

. (11.34)

Значения статической и динамической грузоподъёмности определяют по соответствующей таблице в зависимости от среднего диаметра и шага резьбы, а также от диаметра шарика.